認識を覆せ！ソフトロボットは確実に変化をもたらす

最近、米国プリンストン大学の研究者らがソフトロボットを製造する新しい方法を開発しました。このロボットは主にエラストマーと呼ばれる液体ポリマーを利用しており、冷却するとゴム状で弾力性のある素材になり、金型に注入して成形される。金型は単純なストローかららせん状などの複雑な形まで無数の形状にすることができる。注目すべきは、彼らの方法では 3D プリンターやその他の高価なツールは必要ないという点です。専門家は、この新しいタイプのソフトロボットは近い将来医療分野で使用できるようになり、他の分野でも使用できると考えています。

「尺取虫」のような柔らかいロボット（インターネットからの写真）

私たちの従来の認識では、ロボットは通常、工場環境で使用されるような金属製の機械です。現在、私たちの目に映るロボットの多くは、まだ硬くて「タフガイ」というイメージです。実は、人々は想像力と創造力を広げて、「ベイマックス」のような柔らかくてかわいいロボットも開発しています。このような柔らかい素材で作られたロボットはソフトロボットと呼ばれ、研究分野で大きな注目を集めています。しかし、現在市場では機械式ロボットが人気があり、ソフトロボットのほとんどはまだ研究段階にあり、実用的なアプリケーションにはまだ開発されていないため、一般の人々がソフトロボットについてあまり知らないのも当然です。しかし、開発動向から判断すると、ソフトロボットは将来的に大きな可能性を秘めていることは間違いありません。

ロボットは、危険な作業を行う際に人間を支援したり、人間の代わりに作業したりするために開発されており、一般的にハードロボットとソフトロボットの 2 つのカテゴリに分けられます。ハードロボットには確かに役割がありますが、ソフトロボットの方が便利な状況もあります。もちろん、ここで議論しているソフトロボットの概念は比較的狭いものです。これは、余分な硬い構造がなく、完全に柔軟な素材で作られたロボットを指します。したがって、ソフトロボットには、高い柔軟性、変形可能性、エネルギー吸収特性という 3 つの特性が必要です。シンガポール国立大学の専門家らは、ソフトロボットの特徴として、素材の柔らかさ、優れた環境適応性、超強力な安全性、人間とコンピューターの良好な相互作用などが挙げられるというシンプルな概念も示した。

従来のロボットは主に剛性構造ですが、環境適応性が低く、柔軟性が限られているなどの欠点があります。複雑で壊れやすい物体を掴んだり、狭い空間で作業したりするなど、一部の特殊な用途では大きな課題となります。データによると、既存の産業部門では、通常の硬質品の約 3% ～ 4% の自動処理の問題が解決されているだけであり、残りの約 96% の柔軟品、特殊形状品、壊れやすい製品は依然として手作業による処理が必要です。軟体動物のバイオニクスにヒントを得たソフトロボティクス技術の登場により、これらの問題の解決が可能になりました。ソフトロボティクス技術は、人間の手の単純かつ反復的な作業を解決し、食品、農産物、特殊形状のワークピースの安全な把持と取り扱いを合理的なコストで実現できます。関係機関によれば、ソフトロボットがもたらす世界の市場規模は9兆ドルを超える。

ソフトロボットの構成材料や駆動方法は非常に特殊であるため、従来の剛性コネクタやシェルは通常適用できず、これがソフトロボットの開発における技術的な困難となっています。まず、ソフトロボットを構成する材料は、簡単に変形したり曲げたりできるほど柔らかくなければならず、その駆動方法も考慮する必要があります。現在では、ソフトロボットの「シェル」を作るために、3Dプリント材料を使用するのが一般的です。例えば、マサチューセッツ工科大学の研究チームは、3Dプリントとレーザーカットを使用してハイドロゲルシェルを作成し、ロボットの「ボディ」の「柔軟性」を実現し、油圧駆動でロボットの動きを駆動するという実験テストを実施しました。

もう一つの方法は、特殊な材料を使用して人工筋肉に似た材料を作成することです。電子活性化ポリマー（EAP）や形状記憶合金などの材料は、人工筋肉に適した材料です。形状記憶合金を例にとると、温度に応じて自動的に形状が変化し、その形状を記憶して、曲げる、縮める、物をつかむなどの動作を実現できます。例えば、米国のハーバード大学の研究者たちは、この分野で数々の画期的な成果を上げています。彼らは、カーボンナノチューブをベースにした人工筋肉を開発しました。この人工筋肉には「誘電エラストマー」が含まれています。この柔らかい素材に電界が作用すると、筋肉は変形しますが、電界の強さを制御するのはより困難です。

駆動方式に関して言えば、材料の構成から、実際にそのほとんどは電気で駆動されていることがわかります。他の駆動方式と比較して、電気駆動は変形が大きく、エネルギー密度が高く、構造がコンパクトで、重量が軽く、価格が安く、騒音が少ないという特徴があります。しかし、この駆動方法には大きな危険も潜んでいます。ロボットの動作精度を制御することが難しいのです。一方で、ロボットの動作を駆動するために必要な電界強度が高すぎると、一定の範囲内でロボットの動作にも影響が出てしまいます。他の駆動方式は電動駆動に比べて移動速度が遅く、ソフトロボットの変形にも限界があります。

さらに、ソフトロボットの知能の問題もあります。将来、ソフトロボットが人間よりも賢くなり、人間を支配するようになるのではないかと心配する人もいます。実のところ、この心配はまったく必要ありません。実際、国際的に著名な学者である周海中教授は、1990年にすでに論文「ロボットについて」の中で、ロボットは作業強度、計算速度、記憶機能において人間を上回ることができるが、意識、推論などの面では人間を上回ることはできないと指摘していました。近年の人工知能技術の急速な発展により、ソフトロボットの知能が向上し、難しい知能問題を解決することも可能になり、人間の生活が大きく向上するでしょう。

ソフトロボットの開発には多くの困難が伴いますが、実用的な観点から、ソフトロボットは災害現場での救助など、いくつかの「極端な」シナリオに非常に適しているため、多くの研究室が主な焦点を当てています。ソフトロボットは危険で狭い場所に入ることができ、水中探査では、ソフトロボットはサンゴ礁などの水中生物に潜り込み、それらを傷つけることなく水中の秘密をさらに探査することができます。例えば、中国の浙江大学は、世界で初めて最も深いマリアナ海溝での自律的な深海遊泳を達成したバイオニックソフトインテリジェントロボットの開発に成功しました。

ソフトロボットは医療においても強力なツールです。医師が人体の特定の臓器に適切な薬を処方したい場合、ソフトロボットによってそれが実現できます。例えば、スイス連邦工科大学とチューリッヒ工科大学の研究者は、体液の中で泳ぐことができるバクテリアからヒントを得たソフトロボットを開発しました。将来的には、患者の体内の届きにくい場所に命を救う薬を届けることができるようになるかもしれません。このロボットは生体適合性があり、必要に応じて形を変えることができ、速度に影響を与えることなく狭い血管を通過することができます。

近年、研究者たちはソフトロボットの開発に熱心に取り組んでおり、彼らが発表した完成品は世間から称賛されています。例えば、イモムシロボット、ミミズロボット、シャクトリムシロボット、タコロボット、さらにはマイクロホースロボットなどのバイオニックロボットは、バイオニクスを通じて適応性、弾力性、レオロジー特性を実現しています。想像もつかないような柔らかいロボットを除けば、開発できないロボットはないと言ってもいいでしょう。

時代は常に進歩し、技術も常に発展しています。ソフトロボットの研究開発においても、さらなる成果が出てくる日もそう遠くないと思います。人間の想像力と創造力があれば、ソフトロボットは私たちの想像を超えるものになるかもしれません。現在、ほとんどのソフトロボットはまだ研究段階にあり、実用化に向けて開発されていませんが、やがてこれらのソフトロボットは確実に変化をもたらすでしょう。